A coupled system based on Differential Evolution for the determination of Rainfall intensity equations

• Published in: Revista brasileira de recursos hídricos Vol. 23
• Main Authors: Gomes, Guilherme José Cunha, Vargas Júnior, Eurípedes do Amaral
• Format: Journal Article
• Language: English; Portuguese
• Published: Associação Brasileira de Recursos Hídricos 01.01.2018
• Subjects: Differential Evolution; ENGINEERING, ENVIRONMENTAL; ENGINEERING, GEOLOGICAL; ENGINEERING, MARINE; ENGINEERING, OCEAN; Global optimization; Highway design; Precipitation; Rainfall intensity equations; Highway design; Otimização global; Precipitation; Global optimization; Precipitação; Differential Evolution; Rainfall intensity equations; Equação de chuvas intensas; Evolução Diferencial; Projetos rodoviários
• ISSN: 1414-381X; 2318-0331; 2318-0331
• DOI: 10.1590/2318-0331.231820170165

ABSTRACT Rainfall intensity equations are fundamental in hydrological studies of road design, which require a project rainfall definition to estimate the project flow and the subsequent design of the hydraulic structure. This paper develops an integrated framework for rainfall intensity equations analyses from global optimization via Differential Evolution. The code was specially developed to facilitate the Gumbel model adjustment in the frequency analysis of annual series, as well as the intensity-duration-frequency model fit, without prior knowledge about the parameters of both models. The developed system was evaluated by using Markov chain Monte Carlo simulation, that search efficiently the model parameter space in pursuit of posterior samples and the posterior prediction uncertainty for both models. The results indicate that simulations are shown to be in good agreement with the measured flow and precipitation data. The optimal parameters obtained with the developed framework agreed with the maximum a-posteriori value of the Monte Carlo simulations. The paper illustrates explicitly the benefits of the method using real-world precipitation data collected for a hydrologic study of a highway design. RESUMO As equações de chuvas intensas são fundamentais em estudos hidrológicos de projetos rodoviários, os quais requerem a definição da chuva de projeto para estimativa da vazão de projeto e o posterior dimensionamento da estrutura hidráulica. Neste trabalho, desenvolveu-se um sistema computacional para a obtenção da equação de chuvas intensas, a partir de otimização global via Evolução Diferencial. O sistema foi especialmente projetado para facilitar o ajuste do modelo de Gumbel na análise de frequência de séries anuais, bem como o ajuste do modelo da curva intensidade-duração-frequência, sem que o usuário necessite conhecimento prévio sobre os parâmetros de ambos os modelos. Simulações Monte Carlo via cadeia de Markov foram realizadas para avaliar a metodologia desenvolvida através da distribuição posterior dos parâmetros e da incerteza preditiva de ambos os modelos. Os resultados obtidos indicaram bons ajustes para os modelos de Gumbel e da equação de chuvas intensas com o uso da otimização global via Evolução Diferencial, uma vez que os parâmetros ótimos obtidos pelo sistema concordaram com o valor máximo a-posteriori oriundo das simulações Monte Carlo. Um estudo de caso envolvendo a obtenção da equação de chuvas em um estudo hidrológico de projeto rodoviário ilustram a usabilidade e aplicabilidade do sistema e da metodologia desenvolvida.